JP5212323B2 - 車両用回転電機の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関と組み合わせることで内燃機関に対してトルクを付与あるいは吸収するようにした車両用回転電機の制御装置に関する。
従来から、エンジンの出力軸に取り付けられた歯車に対向して設けられたクランク角度センサによってエンジンのクランク角度を検出し、この検出したクランク角度に応じてモータジェネレータに発電動作あるいはモータ動作を行わせることによりエンジンに対してトルクを付与あるいは吸収するようにした内燃機関の制御装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。また、エンジンのクランク角度検出に関する従来技術としては、エンジンのクランク角センサとモータジェネレータの回転位置センサとを有し、これら2種類のセンサを同期させるようにした内燃機関の制御装置が知られている(例えば、特許文献2参照。)。
特開2008−180105号公報(第4−17頁、図1−21) 特開2004−92463号公報(第10−19頁、図1−10)
ところで、特許文献1に開示された方式では、エンジンの出力軸に取り付けられた歯車の歯数に応じたパルスをカウントしてエンジンのクランク角度を検出するクランク角度センサを用いているため、クランク角度の検出精度が低く(例えば6°程度)、トルクの発生タイミングや発生量を正確に計算することができず、トルク制御の精度が悪いという問題があった。
また、クランク角度を検出するためにエンジン近傍に設けられたクランク角度センサを用いているため、このクランク角度センサとモータジェネレータ制御装置との間を信号線で接続する必要があり、配線が複雑になるという問題があった。この点は、クランク角センサが用いられている特許文献2の手法でも同じである。
また、モータ動作と発電動作を切り替える際に先に励磁電流を切り替えているため、励磁電流の切り替えに伴ってトルク変動や出力電圧変動が大きくなるという問題があった。また、三相コイルを備えたモータジェネレータを用いているため、突入電流が大きく、モータ動作と発電動作を切り替える際のトルク変動が大きいという問題があった。
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、複雑な配線が不要であってトルク制御の精度を向上させることができる車両用回転電機の制御装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、車両用回転電機のトルク変動や出力電圧変動を低減することができる車両用回転電機の制御装置を提供することにある。
上述した課題を解決するために、本発明の車両用回転電機の制御装置は、燃料の燃焼により動力を発生する内燃機関に連結される回転子と、回転子と対向配置された固定子と、回転子の回転角度を検出する回転子角度検出手段と、蓄電装置から供給される電気エネルギーを回転子の回転エネルギーに変換する電動動作と回転子の回転エネルギーを蓄電装置に蓄える電気エネルギーに変換する発電動作とを切り替えることにより、内燃機関に付与するトルクあるいは内燃機関から吸収するトルクを発生させるとともに、これらのトルクの発生タイミングおよび発生量を可変するトルク可変手段とを備える車両用回転電機を制御する車両用回転電機の制御装置であって、回転子角度検出手段で検出された回転角度に基づいて回転子の回転変動を検出する回転子回転変動検出手段と、回転子回転変動検出手段によって検出された回転変動に基づいて内燃機関のクランク角度を推定するクランク角度推定手段と、クランク角度推定手段によって得られたクランク角度に基づいて、必要なトルクを発生させるタイミングを設定するトルク発生タイミング設定手段と、クランク角度推定手段によって得られたクランク角度に基づいて、必要なトルクの発生量を設定するトルク発生量設定手段と、トルク発生タイミング設定手段によって設定されたトルク発生タイミングで、トルク発生量設定手段によって設定された発生量のトルクを発生するようにトルク可変手段に指示を与えるトルク発生吸収指示手段とを備えている。
車両用回転電機に設けられた回転子角度検出手段の検出結果に基づいて内燃機関のクランク角を検出しているため、内燃機関の近傍のクランク角検出用のセンサから信号線を引き回す必要がないため、複雑な配線が不要となる。また、一般に車両用回転電機は、内燃機関のn倍(nはプーリ比で例えば2.5から3.0の間の値)で回転するため、仮に同じ精度のセンサを用いて角度検出を行った場合であっても高い精度で回転角度の検出を行うことができ、その分だけトルク制御の精度を向上させることができる。
また、上述したトルク発生タイミング設定手段およびトルク発生量設定手段は、内燃機関で発生するトルクの変動を打ち消すトルクを車両用回転電機で発生するように、トルク発生タイミングおよびトルク発生量を設定することが望ましい。これにより、内燃機関の回転変動を低減して安定した内燃機関の回転を実現することができる。
また、上述したクランク角度推定手段は、回転変動の加速度がマイナスからプラスに転じる位置がクランクの上死点の位置であるとしてクランク角度を推定することが望ましい。これにより、車両回転電機の回転子の回転角度の検出結果に基づいて容易に内燃機関のクランク角を検出することができる。
また、上述したトルク発生タイミング設定手段およびトルク発生量設定手段は、内燃機関の発生トルクよりも小さくなるように、トルク発生タイミングおよびトルク発生量を設定することが望ましい。これにより、車両用回転電機自体の振動を軽減することができる。
また、上述したトルク可変手段は、固定子に蓄電装置から電気エネルギーを供給、または、固定子に電流を通電するスイッチング素子と、回転子角度検出手段によって検出された回転子の回転角度に応じてスイッチング素子の導通タイミングを制御するスイッチング素子制御手段とを備えることが望ましい。スイッチング素子の導通タイミングを制御することにより、車両用回転電機の電動動作と発電動作を任意のタイミングで切り替えることが可能となる。
また、上述した回転子は、界磁電流の増減によって回転子が発生する磁束量を変更することが可能であり、トルク可変手段は、回転子に流れる界磁電流を設定する界磁制御手段を備えることが望ましい。回転子の界磁電流を可変設定することにより、車両用回転電機で付与あるいは吸収するトルクの発生タイミングおよび発生量を容易に制御することができる。
また、上述したトルク発生吸収指示手段は、蓄電装置と車両用回転電機との間に流れる電流と固定子に流れる相電流の少なくとも一方を可変する指示をトルク可変手段に与えることが望ましい。車両用回転電機の入出力電流(蓄電装置との間に流れる電流)あるいは相電流を可変設定することにより、車両用回転電機で付与あるいは吸収するトルクの発生タイミングおよび発生量を容易に制御することができる。また、界磁電流を可変する場合に比べて、可変時の追従性がよく、内燃機関のトルクの急変を容易に抑制することができる。
また、上述したトルク発生吸収指示手段は、電動動作と発電動作を相互に切り替える際に、界磁電流を界磁電流目標値に切り替えると同時に、固定子に流れる相電流を所定時間かけて徐々に変化させる指示をトルク可変手段に与えることが望ましい。あるいは、上述したトルク発生吸収指示手段は、電動動作と発電動作を相互に切り替える際に、界磁電流をこの切り替え時点を含む前後の所定時間をかけて徐々に変化させる指示をトルク可変手段に与えることが望ましい。また、上述した固定子は、並列接続された2つの三相巻線を有し、トルク発生吸収指示手段は、電動動作と発電動作を相互に切り替える際に、2つの三相巻線のそれぞれについて電動動作と発電動作を切り替えるタイミングを所定時間ずらす指示を前記トルク可変手段に与えることが望ましい。
これにより、電動動作と発電動作の切り替え時に車両用回転電機のトルクの急変や車両用回転電機の急激な出力電圧変動を抑えることができる。
一実施形態の車両システムの構成を示す図である。 エンジンの状態と車両用回転電機の動作状態との関係を示す図である。 車両用回転電機に備わった回転子角度検出部の一例を示す車両用回転電機の部分的な断面図である。 界磁電流を徐々に切り替える場合の説明図である。 相電流を徐々に切り替える場合の説明図である。 2つの三相巻線からなる固定子巻線を有する固定子を用いた場合の構成を示す図である。 2つの三相巻線の電動動作と発電動作を別々に切り替える場合の説明図である。
以下、本発明を適用した一実施形態の車両システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、一実施形態の車両システムの構成を示す図である。図1に示すように、本実施形態の車両システムは、燃料の燃焼により動力を発生する内燃機関であるエンジン(E/G)10と、エンジン10とベルト12を介して連結された車両用回転電機20と、車両用回転電機20と接続された蓄電装置であるバッテリ30とを備えている。
車両用回転電機20は、エンジン連結されるとともに界磁巻線に流れる界磁電流の増減によって発生する磁束量が変更可能な回転子21と、回転子21と対向配置された固定子22と、回転子21の回転角度を検出する回転子角度検出部23と、トルク可変部24と、制御装置25とを備えている。
トルク可変部24は、バッテリ30から供給される電気エネルギーを回転子21の回転エネルギーに変換する電動動作と回転子21の回転エネルギーをバッテリ30に蓄える電気エネルギーに変換する発電動作とを切り替えることにより、エンジン10に付与するトルクあるいはエンジン10から吸収するトルクを発生させるとともに、これらのトルクの発生タイミングおよび発生量を可変する。このために、トルク可変部24は、固定子22にバッテリ30から電気エネルギーを供給、または、固定子22に電流を通電するスイッチング素子40と、回転子角度検出部23によって検出された回転子21の回転角度に応じてスイッチング素子40の導通タイミングを制御するスイッチング素子制御部42と、回転子21の界磁巻線に流れる界磁電流を設定する界磁制御部44とを備えている。
また、制御装置25は、回転子角度検出部23で検出された回転角度に基づいて回転子21の回転変動を検出する回転変動検出部50と、回転変動検出部50によって検出された回転変動に基づいてエンジン10のクランク角度を推定するクランク角度推定部52と、クランク角度推定部52によって得られたクランク角度に基づいて必要なトルクを発生させるタイミングを設定するトルク発生タイミング設定部54と、クランク角度推定部52によって得られたクランク角度に基づいて必要なトルクの発生量を設定するトルク発生量設定部56と、トルク発生タイミング設定部54によって設定されたトルク発生タイミングで、トルク発生量設定部56によって設定された発生量のトルクを発生するようにトルク可変部24に指示を与えるトルク発生吸収指示部58とを備える。
上述した回転子角度検出部23が回転子角度検出手段に、トルク可変部24がトルク可変手段に、回転変動検出部50が回転子回転変動検出手段に、クランク角度推定部52がクランク角度推定手段に、トルク発生タイミング設定部54がトルク発生タイミング設定手段に、トルク発生量設定部56がトルク発生量設定手段に、トルク発生吸収指示部58がトルク発生吸収指示手段に、スイッチング素子制御部42がスイッチング素子制御手段に、界磁制御部44が界磁制御手段にそれぞれ対応する。
本実施形態の車両システムはこのような構成を有しており、次に車両用回転電機20の電動動作と発電動作を切り替えてエンジン10に対してトルクを付与あるいは吸収する動作を説明する。
図2は、エンジン10の状態と車両用回転電機20の動作状態との関係を示す図である。図2において、横軸は時間経過に対応している。また、「E/G回転数」はエンジン10の回転数を、「MG回転数」は車両用回転電機20の回転子21の回転数を、「E/Gトルク」はエンジン10で発生するトルク(エンジントルク)を、「制御状態」は車両用回転電機20の動作状態であって「駆動」は車両用回転電機20に電動動作をさせる場合の動作状態を、「発電」は車両用回転電機20に発電動作をさせる場合の動作状態をそれぞれ示している。
図2に示すように、エンジン10の回転変動は車両用回転電機20の回転変動に連動している。したがって、回転変動検出部50によって検出される回転子21の回転変動は、エンジン10の回転変動そのものを示しているといえる。クランク角度推定部52は、この回転変動の加速度がマイナスからプラスに転じる位置を、エンジン10のクランクの上死点の位置としてクランク角度を決定(推定)する。
このようにしてクランク角度が決定されると、クランクの上死点の位置を基準にして爆発、排気、吸入、圧縮(4ストロークエンジンの場合)の各工程のタイミングを知ることができる。なお、図2に示す例では、説明を簡単にするためにエンジン10が1気筒の場合を示したが、複数気筒の場合には各気筒毎のエンジン回転変動やエンジントルク等を合成すればよい。
トルク発生タイミング設定部54は、エンジン10の圧縮行程に対応してエンジン10にトルクを付加するように、それ以外の工程に対応してエンジン10のトルクを吸収するように、車両用回転電機20のトルクの発生タイミングを設定する。また、トルク発生量設定部56は、各工程に対応して発生するエンジン10のトルクを打ち消すために必要なトルクの発生量(トルク変動を抑制するために必要なトルクの発生量)を設定する。なお、これらの発生タイミングおよびトルク発生量は、エンジン10の発生トルクよりも車両用回転電機20のトルクが小さくなるように設定される。
このように、本実施形態の車両用回転電機20では、内蔵された回転子角度検出部23の検出結果に基づいてエンジン10のクランク角を検出しているため、エンジン10の近傍のクランク角検出用のセンサから信号線を引き回す必要がないため、複雑な配線が不要となる。また、車両用回転電機20は、エンジン10のn倍(nはプーリ比で例えば2.5から3.0の間の値)で回転するため、高い精度で回転角度の検出を行うことができ、その分だけトルク制御の精度を向上させることができる。
また、エンジン10で発生するトルクの変動を打ち消すトルクを車両用回転電機20で発生するように、トルク発生タイミングおよびトルク発生量を設定することにより、エンジン10の回転変動を低減して安定したエンジン回転を実現することができる。また、クランク角度推定部52は、回転子21の回転変動の加速度がマイナスからプラスに転じる位置がクランクの上死点の位置であるとしてクランク角度を推定しており、回転子21の回転角度の検出結果に基づいて容易にエンジン10のクランク角(位置)を検出することができる。
また、トルク発生タイミング設定部54およびトルク発生量設定部56によって、エンジン10の発生トルクよりも小さくなるように、トルク発生タイミングおよびトルク発生量を設定することにより、車両用回転電機20自体の振動を軽減することができる。
また、上述したトルク可変部24は、固定子22との間の通電を断続するスイッチング素子40と、回転子21の回転角度に応じてスイッチング素子40の導通タイミングを制御するスイッチング素子制御部42とを備えており、スイッチング素子40の導通タイミングを制御することにより、車両用回転電機20の電動動作と発電動作を任意のタイミングで切り替えることが可能となる。
また、上述した回転子21は、巻装された界磁巻線に流す界磁電流の増減によって回転子21が発生する磁束量を変更することが可能であるため、トルク可変部24内の界磁制御部44は、この界磁電流を可変設定することにより、車両用回転電機20で付与あるいは吸収するトルクの発生タイミングおよび発生量を容易に制御することができる。
あるいは、バッテリ30と車両用回転電機20との間に流れる電流と固定子22に流れる相電流の少なくとも一方を可変する指示をトルク発生吸収指示部58からトルク可変部24に与え、スイッチング素子制御部42がスイッチング素子40を制御することによりこれらの電流を可変設定するようにしてもよい。これにより、車両用回転電機20で付与あるいは吸収するトルクの発生タイミングおよび発生量を容易に制御することができる。また、界磁電流を可変する場合に比べて、可変時の追従性がよく、エンジン10のトルクの急変を容易に抑制することができる。
図3は、車両用回転電機20に備わった回転子角度検出部23の一例を示す車両用回転電機20の部分的な断面図である。回転子角度検出部23は、回転子21の回転角度(回転位置)を検出するものであり、回転軸21Aの一端に配置されて回転子21とともに回転する円盤状の回転位置被検出部23Aと、回転位置被検出部23Aの回転位置を検出する回転位置検出部23Bとを含んで構成されている。回転位置被検出部23Aは、回転軸21Aの一端に、例えばネジ固定されている。また、回転位置検出部23Bは、トルク可変部24や制御装置25等の一部に固定されるとともに回転位置被検出部23Aに対向して配置されており、円盤状の回転位置被検出部23Aの外周近傍領域の回転方向の位置を検出する。具体的な検出方法としては種々の方法が考えられる。例えば、回転位置被検出部23Aに磁性体を配置し、回転位置検出部23Bに設けられた検出コイルでこの磁性体の回転位置を検出したり、回転位置被検出部23Aに永久磁石を配置し、回転位置検出部23Bに設けられたホール素子(図3に示した例では永久磁石23C、ホール素子23D、23Eが設けられている)でこの磁石の回転位置を検出する場合などが考えられる。なお、上記以外の方法、例えば可変リラクタンス型のレゾルバや、光センサ等の光学式の検出方法などを用いてもよい。
ところで、上述した説明では、電動動作と発電動作を相互に切り替える際の励磁電流や相電流の切り替えについては特に説明しなかったが、車両用回転電機20のトルクの急変を防止するためには、これらを切り替え後の動作状態に対応した目標値に瞬時に切り替えるのではなく、徐々に切り替えることが望ましい。
図4は、界磁電流を徐々に切り替える場合の説明図である。図4に示す例では、トルク発生吸収指示部58は、車両用回転電機20の電動動作と発電動作を相互に切り替える際に、界磁電流をこの切り替え時点を含む前後の所定時間をかけて徐々に切り替え後の目標値(界磁電流目標値)に変化させる指示をトルク可変部24に与えている。この指示を受けてトルク可変部24内の界磁制御部44は、界磁電流を切り替え前の目標値Aから切り替え後の目標値B(あるいはその反対)に徐々に変化させる。これにより、電動動作と発電動作の切り替え時に車両用回転電機20のトルクの急変や車両用回転電機20の急激な出力電圧変動を抑えることができる。
図5は、相電流を徐々に切り替える場合の説明図である。図5に示す例では、トルク発生吸収指示部58は、車両用回転電機20の電動動作と発電動作を相互に切り替える際に、界磁電流を切り替え後の界磁電流目標値に切り替えると同時に、電動動作において固定子22に流れる相電流を所定時間かけて徐々に変化させる指示をトルク可変部24に与えている。この指示を受けてトルク可変部24内のスイッチング素子制御部42は、電動動作に対応する相電流を徐々に変化させる。これにより、電動動作と発電動作の切り替え時に車両用回転電機20のトルクの急変や車両用回転電機20の急激な出力電圧変動を抑えることができる。
また、上述した固定子22が並列接続された2つの三相巻線を有する場合には、それぞれの三相巻線について電動動作と発電動作を切り替えるタイミングを所定時間ずらすようにしてもよい。
図6は、2つの三相巻線22A、22Bからなる固定子巻線を有する固定子22を用いた場合の構成を示す図である。図6に示すように、スイッチング素子40は、一方の三相巻線22Aに対応するブリッジ回路を構成する6個のMOS−FETを有するとともに、他方の三相巻線22Bに対応するブリッジ回路を構成する6個のMOS−FETを有する。各MOS−FETの導通タイミングを適宜制御することにより、2つの三相巻線22A、22Bのそれぞれを用いた電動動作あるいは発電動作を別々に行わせることができる。
図7は、2つの三相巻線の電動動作と発電動作を別々に切り替える場合の説明図である。図7に示す例では、トルク発生吸収指示部58は、電動動作と発電動作を相互に切り替える際に、2つの三相巻線のそれぞれについて電動動作と発電動作を切り替えるタイミングを所定時間ずらす指示をトルク可変部24に与えている。これにより、電動動作と発電動作の切り替え時に車両用回転電機20のトルクの急変や車両用回転電機20の急激な出力電圧変動を抑えることができる。
なお、1つの三相巻線を有する固定子22を備える場合には、図6に示した一方のブリッジ回路のみを備えればよい。また、図6に示した構成と、図4および図5に示した一方あるいは両方の切り替え手法とを組み合わせるようにしてもよい。
10 エンジン(E/G)
12 ベルト
20 車両用回転電機
30 バッテリ
21 回転子
21A 回転軸
22 固定子
22A、22B 三相巻線
23 回転子角度検出部
23A 回転位置被検出部
23B 回転位置検出部
23C 永久磁石
23D、23E ホール素子
24 トルク可変部
25 制御装置
40 スイッチング素子
42 スイッチング素子制御部
44 界磁制御部
50 回転変動検出部
52 クランク角度推定部
54 トルク発生タイミング設定部
56 トルク発生量設定部
58 トルク発生吸収指示部

Claims (10)

  1. 燃料の燃焼により動力を発生する内燃機関に連結される回転子と、前記回転子と対向配置された固定子と、前記回転子の回転角度を検出する回転子角度検出手段と、蓄電装置から供給される電気エネルギーを前記回転子の回転エネルギーに変換する電動動作と前記回転子の回転エネルギーを前記蓄電装置に蓄える電気エネルギーに変換する発電動作とを切り替えることにより、前記内燃機関に付与するトルクあるいは前記内燃機関から吸収するトルクを発生させるとともに、これらのトルクの発生タイミングおよび発生量を可変するトルク可変手段とを備える車両用回転電機を制御する車両用回転電機の制御装置において、
    前記回転子角度検出手段で検出された回転角度に基づいて前記回転子の回転変動を検出する回転子回転変動検出手段と、
    前記回転子回転変動検出手段によって検出された回転変動に基づいて前記内燃機関のクランク角度を推定するクランク角度推定手段と、
    前記クランク角度推定手段によって得られたクランク角度に基づいて、必要なトルクを発生させるタイミングを設定するトルク発生タイミング設定手段と、
    前記クランク角度推定手段によって得られたクランク角度に基づいて、必要なトルクの発生量を設定するトルク発生量設定手段と、
    前記トルク発生タイミング設定手段によって設定されたトルク発生タイミングで、前記トルク発生量設定手段によって設定された発生量のトルクを発生するように前記トルク可変手段に指示を与えるトルク発生吸収指示手段と、
    を備えることを特徴とする車両用回転電機の制御装置。
  2. 請求項1において、
    前記トルク発生タイミング設定手段および前記トルク発生量設定手段は、前記内燃機関で発生するトルクの変動を打ち消すトルクを前記車両用回転電機で発生するように、前記トルク発生タイミングおよび前記トルク発生量を設定することを特徴とする車両用回転電機の制御装置。
  3. 請求項1において、
    前記クランク角度推定手段は、前記回転変動の加速度がマイナスからプラスに転じる位置がクランクの上死点の位置であるとしてクランク角度を推定することを特徴とする車両用回転電機の制御装置。
  4. 請求項1または2において、
    前記トルク発生タイミング設定手段および前記トルク発生量設定手段は、前記内燃機関の発生トルクよりも小さくなるように、前記トルク発生タイミングおよび前記トルク発生量を設定することを特徴とする車両用回転電機の制御装置。
  5. 請求項1〜4のいずれかにおいて、
    前記トルク可変手段は、
    前記固定子に前記蓄電装置から電気エネルギーを供給、または、前記固定子に電流を通電するスイッチング素子と、
    前記回転子角度検出手段によって検出された前記回転子の回転角度に応じて前記スイッチング素子の導通タイミングを制御するスイッチング素子制御手段と、
    を備えることを特徴とする車両用回転電機の制御装置。
  6. 請求項1〜5のいずれかにおいて、
    前記回転子は、界磁電流の増減によって前記回転子が発生する磁束量を変更することが可能であり、
    前記トルク可変手段は、前記回転子に流れる界磁電流を設定する界磁制御手段を備えることを特徴とする車両用回転電機の制御装置。
  7. 請求項1〜6のいずれかにおいて、
    前記トルク発生吸収指示手段は、前記蓄電装置と前記車両用回転電機との間に流れる電流と前記固定子に流れる相電流の少なくとも一方を可変する指示を前記トルク可変手段に与えることを特徴とする車両用回転電機の制御装置。
  8. 請求項6において、
    前記トルク発生吸収指示手段は、前記電動動作と前記発電動作を相互に切り替える際に、前記界磁電流を界磁電流目標値に切り替えると同時に、前記固定子に流れる相電流を所定時間かけて徐々に変化させる指示を前記トルク可変手段に与えることを特徴とする車両用回転電機の制御装置。
  9. 請求項6において、
    前記トルク発生吸収指示手段は、前記電動動作と前記発電動作を相互に切り替える際に、前記界磁電流をこの切り替え時点を含む前後の所定時間をかけて徐々に変化させる指示を前記トルク可変手段に与えることを特徴とする車両用回転電機の制御装置。
  10. 請求項1〜7のいずれかにおいて、
    前記固定子は、並列接続された2つの三相巻線を有し、
    前記トルク発生吸収指示手段は、前記電動動作と前記発電動作を相互に切り替える際に、前記2つの三相巻線のそれぞれについて前記電動動作と前記発電動作を切り替えるタイミングを所定時間ずらす指示を前記トルク可変手段に与えることを特徴とする車両用回転電機の制御装置。
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